第一章納米科技根底1.1科學(xué)革命1.2納米科技分類(lèi)和納米機(jī)器1.3元素周期表1.4原子構(gòu)造1.5分子和物質(zhì)的相態(tài)1.6能量1.7分子和原子尺寸1.8外表和三維空間1.9“自上而下〞和“自下而上〞1.1科技革命幾百萬(wàn)年以前，人類(lèi)開(kāi)展到石器時(shí)代，這時(shí)我們的祖先開(kāi)場(chǎng)利用石頭作為工具，石頭也就成為人類(lèi)最早的工具。工匠可以利用這些巖石制造出不同用途的工具來(lái)，這些工具的運(yùn)用促進(jìn)了社會(huì)的提高。石器的運(yùn)用能夠是人類(lèi)改造世界和掌握本身命運(yùn)的第一步，并推進(jìn)了如表1.1所示的其他方面的開(kāi)展。發(fā)明類(lèi)型稱(chēng)號(hào)時(shí)代起始時(shí)間工業(yè)工具石器公元前2200000年工業(yè)冶金青銅器公元前3500年工業(yè)蒸汽機(jī)工業(yè)1764自動(dòng)化大規(guī)模消費(fèi)—1906自動(dòng)化計(jì)算機(jī)信息1946安康基因工程基因1953工業(yè)納米技術(shù)納米時(shí)代？1991自動(dòng)化分子組裝組裝時(shí)代？2020？一切三類(lèi)生命組裝生命時(shí)代？2050？表1.1科學(xué)的開(kāi)展史火是一種有價(jià)值的工具。大約在五六千年以前，有人將一塊含銅礦石放入篝火中，銅被熔化提煉出來(lái)。不久像青銅這種由兩種金屬熔融而成的合金被發(fā)現(xiàn)了。利用鐵礦石提煉出金屬鐵，從鐵進(jìn)一步中提煉得到鋼。如今人們經(jīng)過(guò)新的冶金學(xué)方法，可以制備出自然界中沒(méi)有的新物質(zhì)。隨著食物的不斷豐富，越來(lái)越多的人可以分開(kāi)土地，開(kāi)場(chǎng)從事商貿(mào)活動(dòng)。18世紀(jì)之前，一切的消費(fèi)活動(dòng)都依賴(lài)人力和畜力或者自然界的能源〔比如水力和風(fēng)力〕。蒸汽機(jī)的發(fā)明很能夠與銅的發(fā)現(xiàn)一樣意義艱苦，由于蒸汽機(jī)運(yùn)用了完全不同的能源。有了蒸汽機(jī)，就隨之出現(xiàn)了火車(chē)和鐵路，接著石油、汽車(chē)、噴氣式飛機(jī)和宇宙飛船等也相繼問(wèn)世。是什么導(dǎo)致了蒸汽機(jī)的發(fā)明呢？是要得到更好的馬車(chē)？還是對(duì)蒸汽作為一種能源感興趣？投資者也許對(duì)制造更好的馬車(chē)更感興趣，但是利用蒸氣這種能源才是發(fā)明蒸汽機(jī)的真正動(dòng)力。大規(guī)模消費(fèi)與計(jì)算機(jī)是兩種不同的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。電的運(yùn)用使快速的大規(guī)模產(chǎn)品消費(fèi)成為能夠。建立在微晶體管根底上的計(jì)算機(jī)，替代人腦進(jìn)展計(jì)算和信息處置，加快了速度，提高了精度。DNA是脫氧核糖核酸的縮寫(xiě)，它是稱(chēng)為基因的生物體遺傳信息的載體。RNA，也就是核糖核酸，將這些信息以不同方式在細(xì)胞內(nèi)傳輸。在第六章將詳細(xì)講述DNA和RNA?；蚬こ炭梢员磉_(dá)和修飾DNA中的基因特性，這是一項(xiàng)正在發(fā)生的艱苦革命。人類(lèi)第一次可以把握本人和動(dòng)植物的進(jìn)化過(guò)程而不是完全依托自然的繁衍過(guò)程。因此可以用一種不同的方法來(lái)延伸壽命?；蚬こ淌沟萌祟?lèi)不僅僅是經(jīng)過(guò)減少不測(cè)事故或預(yù)防疾病的方法，而是借助基因工程經(jīng)過(guò)改動(dòng)物種的方法從根本上延伸其壽命。什么是納米技術(shù)？為什么它能帶來(lái)宏大財(cái)富？為什么它會(huì)比以前一切其它的科學(xué)進(jìn)程更重要呢？納米技術(shù)是一種按照人們的意志在原子程度上廉價(jià)地支配物質(zhì)構(gòu)造的制造技術(shù)，它是低本錢(qián)和無(wú)污染的制造技術(shù)，能消費(fèi)出納米機(jī)器和納米器件。因此納米技術(shù)與第一件石器工具的發(fā)現(xiàn)同等重要。除了制造自然界已有的東西以外，我們還可以按照我們志愿經(jīng)過(guò)納米技術(shù)發(fā)明事物。冶金技術(shù)將自然界的礦物作為原料，而納米技術(shù)那么是將原子作為加工的對(duì)象。雖然在我們的先輩們發(fā)明財(cái)富過(guò)程中，過(guò)時(shí)的科學(xué)知識(shí)并沒(méi)有起到重要作用。但是汽車(chē)、和電燈、晶體管和電子管以及藥物等讓福特、蓋茨、諾貝爾等獲得了巨額財(cái)富。遺傳工程和基因治療的開(kāi)展，也會(huì)使得許多人一夜暴富。未來(lái)人們將依托什么致富？答案就是納米技術(shù)。納米技術(shù)時(shí)代曾經(jīng)開(kāi)場(chǎng)了嗎？回答是一定的。1959年12月，在美國(guó)物理學(xué)年會(huì)上，著名的物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者RichardFeynman首先提出納米技術(shù)的概念。Feynman指出：“我以為，物理學(xué)原理并不排斥經(jīng)過(guò)支配單個(gè)原子來(lái)制造物質(zhì)。這樣做并不違反任何定理，而且原那么上是可以實(shí)現(xiàn)的〞。假設(shè)說(shuō)Feynman是哲學(xué)家，那么Drexler那么是一位預(yù)言家。在<發(fā)明的動(dòng)力—納米時(shí)代的降臨>一書(shū)中，Drexler用即興和交叉的思索方法，對(duì)Feynman提出的納米技術(shù)概念進(jìn)展了拓展，該書(shū)值得一讀。1990年Drexler指出：“納米技術(shù)的根本思想是在分子程度上，經(jīng)過(guò)支配原子來(lái)控制物質(zhì)的構(gòu)造。它使我們可以利用單個(gè)原子組建分子系統(tǒng)，制備不同類(lèi)型的納米器件。〞Binning和Rohrer印證了Drexler的想法。1981年，IBM公司蘇黎世研討實(shí)驗(yàn)室的Binning和Rohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡，使得人類(lèi)初次在大氣及常溫下察看到了原子，這為納米技術(shù)的開(kāi)展奠定了根底。爾后不久，科學(xué)家們便可以經(jīng)過(guò)挪動(dòng)原子來(lái)構(gòu)筑納米構(gòu)造。在納米技術(shù)提出的早期階段，納米技術(shù)僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，并沒(méi)有在實(shí)踐消費(fèi)中獲得運(yùn)用。隨著人們對(duì)納米技術(shù)的重要性的認(rèn)識(shí)的深化，建立在納米尺度上的“納米技術(shù)〞這一術(shù)語(yǔ)被廣泛地接受了。“nano〞一詞最早來(lái)自于希臘語(yǔ)，其含義為“侏儒〞，但是在科學(xué)術(shù)語(yǔ)中“nano〞是指10-9，即1nm就是10-9m，大約相當(dāng)于10個(gè)氫原子肩并肩陳列在一同的長(zhǎng)度。所謂技術(shù)，是指按照科學(xué)規(guī)律來(lái)構(gòu)造有用的物質(zhì)。因此，“納米技術(shù)〞就是指在10-9米的尺度上構(gòu)造物質(zhì)。那么，納米技術(shù)和普通化學(xué)合成之間的差別何在呢？納米技術(shù)特別注重經(jīng)過(guò)察看原子和分子，在納米尺度上支配分子和原子，因此它和普通化學(xué)是不同的。但是，納米技術(shù)卻根本涵蓋了一切的化學(xué)、大部分物理學(xué)和分子生物學(xué)的知識(shí)。Feynman和Drexler提出的納米技術(shù)概念如今看來(lái)應(yīng)歸于分子納米技術(shù)，有時(shí)叫分子加工技術(shù)。分子加工技術(shù)的描畫(huà)并不非常貼切，由于它和合成化學(xué)的定義非常類(lèi)似。有時(shí)我們也采用分子工程等術(shù)語(yǔ)，但是這些術(shù)語(yǔ)涵蓋了對(duì)于大于原子實(shí)體或基團(tuán)的操作加工，即屬于設(shè)計(jì)操作幾十個(gè)或幾百個(gè)原子大小的物質(zhì)和設(shè)備等范疇。本書(shū)將涵蓋這些領(lǐng)域。納米技術(shù)給予我們更為寬廣的思緒，使我們可以在納米尺度上設(shè)計(jì)全新的器件，比如可以利用小塊晶體或生物資料進(jìn)展加工，而不一定要將物質(zhì)拆分到單個(gè)原子。由原子構(gòu)筑的分子納米技術(shù)的開(kāi)展和運(yùn)用進(jìn)程將是緩慢的，由于我們需求時(shí)間來(lái)確定物質(zhì)的臨界點(diǎn)，在這一臨界點(diǎn)我們只需求改動(dòng)物質(zhì)中為數(shù)不多的幾個(gè)原子就會(huì)得到不同的資料。在第7章和第8章中，我們將討論單電子晶體管，這是分子納米技術(shù)快速商品化的實(shí)例之一。相對(duì)于自上而下〔Topdown〕的加工過(guò)程，用單個(gè)原子組建納米器件會(huì)更有效，研討者可以到達(dá)在原子程度上控制物質(zhì)構(gòu)造和性能的最終目的分子納米技術(shù)的最大問(wèn)題是利用它雖然可以得到一、兩種分子納米構(gòu)造，但是卻難于消費(fèi)出眾多的產(chǎn)品。我們需求可以大量制備納米構(gòu)造資料的機(jī)器，這種機(jī)器曾被稱(chēng)之為“裝配器〞。當(dāng)我們可以消費(fèi)這種裝配器的時(shí)候，分子納米技術(shù)將掀起一場(chǎng)前所未有的工業(yè)革命，其影響將超越以前一切的工業(yè)革命。Drexler把裝配器描畫(huà)為一種在計(jì)算機(jī)控制下的納米機(jī)器人。一個(gè)裝配器就是一臺(tái)納米機(jī)器，但是非常特殊的是，裝配器不但可以制造新的納米機(jī)器，而且還可以在同一過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制。裝配器可以有效控制和固定反響原子和分子，使這些分子和原子在準(zhǔn)確區(qū)域內(nèi)發(fā)生反響。經(jīng)過(guò)一系列準(zhǔn)確控制的化學(xué)反響以及分子自組裝，將可以建造在原子尺度上非常準(zhǔn)確的大型物體。假設(shè)需求的話，裝配器可以實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制。裝配器可以大規(guī)模的廉價(jià)地消費(fèi)產(chǎn)品。在確保每一個(gè)原子可以被準(zhǔn)確地安頓的前提下，我們就可以消費(fèi)高質(zhì)量和性能可靠的產(chǎn)品。由于在制造過(guò)程中多余的分子可以再利用，所以是一種清潔制造過(guò)程。在類(lèi)似方式的消費(fèi)線上，一個(gè)組裝器可以遵照一系列的指令組裝恣意的分子構(gòu)造。經(jīng)過(guò)對(duì)分子單元三維位置的定向控制，可以合成復(fù)雜的分子構(gòu)造。同時(shí)，組裝器可以構(gòu)成各種不同類(lèi)型的化學(xué)鍵。這當(dāng)然不是科幻小說(shuō)。這些構(gòu)造在生物體中曾經(jīng)存在，被稱(chēng)為核糖體。正是核糖體這一納米器件制造了一切生物所需求的蛋白質(zhì)。一典型核糖體只需幾千立方納米，但它能準(zhǔn)確控制蛋白質(zhì)根本構(gòu)成單元－氨基酸的序列，進(jìn)而合成蛋白質(zhì)。核糖體經(jīng)過(guò)一種RNA按序?qū)⑻囟ǖ拿负桶被嵊没瘜W(xué)鍵銜接起來(lái),也能控制氨基酸與多肽的反響，使氨基酸鍵聯(lián)在多肽的末端。就象核糖體按照信息載體RNA的指令而動(dòng)作一樣，裝配器也需求一系列詳細(xì)的控制信號(hào)。當(dāng)然，這些控制信號(hào)不一定是RNA或者DNA，許多其它的信號(hào)編碼也可以用來(lái)合成蛋白質(zhì)以外的物質(zhì)。在非生物納米器件中，這些詳細(xì)的控制信號(hào)可以由計(jì)算機(jī)提供，但是它必需是分子計(jì)算機(jī)，或者是與RNA類(lèi)似的某種物質(zhì)。對(duì)于分子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，假設(shè)不改動(dòng)目前的思想方式，我們將無(wú)法進(jìn)一步減小電子芯片的特征尺寸。自然界中的一些景象為我們認(rèn)識(shí)未來(lái)的納米器件提供線索。細(xì)菌是一個(gè)典型的由生物計(jì)算機(jī)控制的具有自我復(fù)制功能的裝配器。人類(lèi)制造的納米器件不會(huì)比細(xì)菌大，也許和病毒一樣小，甚至能夠就是一種病毒。1.2納米技術(shù)分類(lèi)和納米機(jī)器什么是納米機(jī)器呢？正如前面所討論過(guò)的，4萬(wàn)年前居住在洞穴中的人運(yùn)用燧石作為工具，將適宜的資料做成罐狀和盤(pán)狀來(lái)燒水。在那個(gè)時(shí)代，工具和機(jī)器的概念是很模糊的。單個(gè)工具組合起來(lái)就有新的用途，如刀和棍棒用繩子綁在一同就做成了矛，它是種武器，但同時(shí)亦是種工具。這些技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷的開(kāi)展提高，到如今我們可以作到這樣：將物體分解開(kāi)，然后把它們中的一部分進(jìn)展再組合，造出極其復(fù)雜的機(jī)器。硅晶片和一些銅線銜接在一同可以構(gòu)成微型電路，再和其它一些元件組合就可以組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)。這些就是微型機(jī)器。生物體可以以為是許多微型機(jī)器的集合體。如:除核糖體外，人體內(nèi)還存在數(shù)目宏大的微型機(jī)器，把碳水化合物轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?，利用轉(zhuǎn)變過(guò)程中產(chǎn)生能量來(lái)維持人的生命活動(dòng)。此過(guò)程和在火力發(fā)電廠中進(jìn)展的過(guò)程沒(méi)有太大差別，不同的只是電廠利用煤而不是碳水化合物，且體積更為龐大而已。雖然人體內(nèi)這些賦有生命的設(shè)備很小，但是它們卻可以實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制，所以它們比起燃煤發(fā)電設(shè)備更為復(fù)雜。生命活動(dòng)的單元，如隔膜，由多種化學(xué)物質(zhì)組成，可以作為探測(cè)微量物質(zhì)的機(jī)器。然而，許多宏觀的有機(jī)體都是由成千上萬(wàn)種不同的納米機(jī)器組合而成。例如，當(dāng)光線照射到人的眼睛時(shí)，人就會(huì)產(chǎn)生腦電波。這是有機(jī)體將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，使大腦做出的反響。當(dāng)然，與電子光柵相聯(lián)絡(luò)的眼組織也會(huì)自行復(fù)原。生物組織可以自我生長(zhǎng)，自我復(fù)制，而且不受外界干擾。隨著科技的提高，許多機(jī)器和器件都微型化了。原來(lái)幾米大的設(shè)備，如今曾經(jīng)減少到幾個(gè)厘米，甚至更小。表1.2列舉了一些描畫(huà)物體尺度的前綴。如今運(yùn)用的許多機(jī)器，比如微電子器件，都是在微米尺寸上進(jìn)展操作。實(shí)踐上，毛細(xì)血管就具有和集成電路元件相類(lèi)似的尺度。我們?cè)诩{米尺度上構(gòu)筑微型機(jī)器是完全能夠的。由于納米是幾個(gè)原子的尺度，因此我們必需利用原子、原子簇、分子來(lái)開(kāi)展任務(wù)?，F(xiàn)實(shí)上，輪盤(pán)狀分子以及球狀、鏈狀和鏈輪狀分子曾經(jīng)存在，這些外形在目前的機(jī)器設(shè)備中經(jīng)常運(yùn)用，但是在納米技術(shù)領(lǐng)域里，這些外形將是在原子尺度上運(yùn)用，而不是工廠車(chē)間規(guī)模上運(yùn)用。制造由眾多分子構(gòu)成的復(fù)雜的分子機(jī)器是完全能夠的，比如類(lèi)似于擁有火車(chē)站、隨時(shí)可以停頓和啟動(dòng)火車(chē)的納米鐵道路?？梢杂米鏖_(kāi)關(guān)和晶體管類(lèi)電子器件的分子是非常重要的。表1.2描畫(huà)物體尺度的前綴前綴符號(hào)指數(shù)方式稱(chēng)號(hào)ExaE1018千兆兆PetaP1015兆兆TeraT1012萬(wàn)億GigaG109十億MegaM106百萬(wàn)KiloK103千UnityU100個(gè)CntiC10-2百分之一MilliM10-3千分之一MicroM10-6百萬(wàn)分之一NanoN10-9十億分之一PicoP10-12萬(wàn)億分之一FemtoF10-15兆兆分之一AttoA10-18千兆兆分一

1.3元素周期表化學(xué)家曾經(jīng)對(duì)具有納米構(gòu)造的分子研討了150多年。與納米技術(shù)學(xué)家不同，過(guò)去，化學(xué)家不能看到原子，只能經(jīng)過(guò)推測(cè)去了解分子的行為。原子實(shí)際指出物質(zhì)都是由109種原子組成的，但過(guò)去這僅僅是一個(gè)實(shí)際。如今我們認(rèn)識(shí)到這已不只是籠統(tǒng)的實(shí)際，由于我們可以經(jīng)過(guò)透射電子顯微鏡〔TEM〕確確實(shí)實(shí)地察看到原子。我們非常希望能了解這些元素的幾百萬(wàn)種結(jié)合方法，以及如何將其運(yùn)用于納米技術(shù)。很僥幸，元素周期表使我們可以這樣去做。由于在元素周期表里，按照元素的原子量陳列時(shí)，提示了同一族元素性質(zhì)有規(guī)那么的變化趨勢(shì)和規(guī)律。元素周期表是根據(jù)元素之間類(lèi)似的性質(zhì)分類(lèi)并按照一定的規(guī)律把1號(hào)到109號(hào)的元素陳列得到的。分子納米技術(shù)學(xué)家以為，元素只是用來(lái)構(gòu)成物質(zhì)的不同根本構(gòu)造單元的集合體。他也許覺(jué)得奇異，原子的數(shù)目看上去好似是一個(gè)隨機(jī)數(shù)字。為什么元素的數(shù)目只是109，不是更多或者更少？這有點(diǎn)類(lèi)似于HitchHiker星系實(shí)際里的數(shù)字42一樣，看上去似乎難以解釋。宇宙中存在的很多數(shù)字都非常特殊，比如π，虛數(shù)()等。那么為什么偏偏是這個(gè)數(shù)字呢？這些并非真的很奧秘，從26號(hào)鐵元素以后，隨著原子量的增大，原子核的穩(wěn)定性開(kāi)場(chǎng)下降。按照這種思想，我們可以推知，可以制備出2050號(hào)元素。但它一定是極不穩(wěn)定的。所謂元素趨于不穩(wěn)定，也只是對(duì)它們存在的時(shí)間長(zhǎng)短的一種度量而已。正象我們可以獲得更多的知識(shí)，但永遠(yuǎn)不能獲得一切的知識(shí)一樣。元素在元素周期表中的位置是其性質(zhì)的反映，所以當(dāng)我們要初步了解某個(gè)元素的時(shí)候，最好的方法是弄清它在元素周期表中的位置。周期表中的列稱(chēng)為族，行稱(chēng)為周期。每一個(gè)族里的元素，其性質(zhì)都在逐漸發(fā)生變化。比如在第一族里的鈉元素，其性質(zhì)就是第一族里其他元素性質(zhì)代表。這一族里的元素還有：鋰Li、鉀K、銣Rb、銫Cs、鈁Fr，這些元素被稱(chēng)為堿金屬。它們都是有銀色光澤的、低溫下就能熔融的軟金屬。在納米技術(shù)中，這些原子的重要性就在于它們很容易失去一個(gè)電子。緊挨著第一族元素的是堿土金屬，它們很容易失去兩個(gè)電子。周期表中最右邊的元素族是惰性氣體，由稀有元素構(gòu)成，性質(zhì)非常不活潑。在納米技術(shù)中，這些元素常作為維護(hù)性工具來(lái)運(yùn)用，尤其是最大的元素氡Rn和氙Xe。與惰性氣體相鄰的是鹵族元素，它們是一些活潑的氣體或固體。我們應(yīng)該知道在周期表同一族中元素活性隨原子量的添加而降低。周期表中第3族到第12族是過(guò)渡金屬元素，包括鐵Fe、銅Cu、銀Ag和金Au，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性等有用的電性能，是用于納米技術(shù)的重要元素區(qū)。第14族元素包括碳和硅，這兩種元素是制造納米碳管和導(dǎo)電納米器件的重要元素。當(dāng)我們知道元素屬于哪一族、與哪些元素相鄰后，就可以預(yù)測(cè)該元素的性質(zhì)。1.4原子構(gòu)造原子實(shí)際的雛型至少可以追溯到古希臘時(shí)代，他們提出了元素的概念，并且以為構(gòu)成物質(zhì)根本元素是土、火、空氣和水，假設(shè)這些元素按適當(dāng)?shù)捻樞蚪M合就可以得到各種各樣的物質(zhì)。這一觀念和我們今天的認(rèn)知根本一致，不同的是如今人們以為是不同的元素構(gòu)成了地球上的物質(zhì)，其中包括一些自然界中根本不存在而只能在實(shí)驗(yàn)室中才干合成得到的元素。什么是元素？每個(gè)元素由一種原子構(gòu)成。古希臘人以為物質(zhì)可以無(wú)限分割，但這個(gè)假說(shuō)沒(méi)有科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為根據(jù)。1807年，在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)的根底上，英國(guó)教師道爾頓〔1766－1844〕，論述了原子概念并提出了原子實(shí)際。該實(shí)際的提出基于以下幾點(diǎn)假設(shè)：1.

元素由不可分割的粒子構(gòu)成，這些不可分割的粒子稱(chēng)為原子。2.

構(gòu)成特定元素的一切原子是一樣的〔如今被以為是不正確的〕；而不同元素由不同的原子構(gòu)成。3.

原子結(jié)合在一同構(gòu)成化合物，同一種化合物由一樣數(shù)量和種類(lèi)的原子組成。4.

化學(xué)反響時(shí)，原子從一種結(jié)合情況變成另一種結(jié)合情況，原子本身不發(fā)生變化。道爾頓原子實(shí)際是化學(xué)開(kāi)展史上的一個(gè)里程碑。這個(gè)實(shí)際的主要假設(shè)至今還在沿用，當(dāng)然實(shí)際也在不斷完善，以解釋新的景象。道爾頓以為原子不能再分，這一點(diǎn)是不正確的?！安荒茉俜吱曇馕吨诓桓膭?dòng)元素本身化學(xué)性質(zhì)情況下，原子不能進(jìn)一步分裂。例如，當(dāng)一個(gè)碳原子被分解成更小的粒子時(shí)〔稱(chēng)作亞原子〕就失去了原來(lái)的化學(xué)性質(zhì)。人們常把原子與原子彈、原子分裂聯(lián)絡(luò)在一同。原子彈和核反響器都依托本身核裂變鏈反響，它能釋放宏大的能量。在核裂變過(guò)程中，一個(gè)重核子分裂成幾個(gè)不穩(wěn)定的較輕的粒子，釋放的能量可以完成物質(zhì)的合成或分解。1939年德國(guó)科學(xué)家OttoHahn和FritzStrassmann第一次報(bào)道了核裂變反響，1945年原子彈第一次在日本廣島和長(zhǎng)崎爆炸。三種主要的根本亞原子粒子是電子、質(zhì)子和中子，質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核。除此之外還存在許多其它的亞原子粒子，包括正電子、介子和中微子，對(duì)于它們的討論曾經(jīng)超出了本書(shū)的范圍。電子是小而輕的粒子，帶負(fù)電荷。質(zhì)子比電子大而且重，帶正電荷。中子的大小和質(zhì)量與質(zhì)子類(lèi)似，但不帶電荷。由于原子是電中性的，所以應(yīng)該擁有一樣數(shù)量的質(zhì)子和電子。與道爾頓的最初假設(shè)相反，同種元素中的一切原子并不是都具有一樣的質(zhì)量。我們把質(zhì)子數(shù)一樣而原子量不同的原子稱(chēng)為同位素，同位素之間中子數(shù)的不同導(dǎo)致了原子量的不同。例如，碳12和碳13都有6個(gè)質(zhì)子〔原子序數(shù)＝6〕，但中子數(shù)分別為6和7。為了區(qū)分不同類(lèi)型的原子核，我們把質(zhì)子數(shù)〔原子序數(shù)〕寫(xiě)在元素符號(hào)的左下角，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和〔質(zhì)量數(shù)〕寫(xiě)在元素符號(hào)的左上角。、、表示質(zhì)子數(shù)為1、中子數(shù)分別為0、1、2的氫元素。同樣，、、分別為含有不同質(zhì)子數(shù)的不同元素。表1.3給出了不同亞原子粒子的性質(zhì)。原子核既有自旋又帶正電的粒子，因此可把一個(gè)原子核看作一個(gè)小的磁鐵，在磁場(chǎng)中原子沿著磁場(chǎng)或逆磁場(chǎng)陳列，原子核的磁性稱(chēng)為核磁矩。只需自旋不為零的原子核才具有核磁矩，能否具有核磁矩取決于質(zhì)子和中子的比例。如〔1個(gè)質(zhì)子，0個(gè)中子〕和〔6個(gè)質(zhì)子，7個(gè)中子〕的核自旋不為零，有磁矩，但〔6個(gè)質(zhì)子，6個(gè)中子〕中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)，核自旋為零，沒(méi)有磁矩。利用原子核的磁矩來(lái)探測(cè)原子核的性質(zhì)，這一景象就是核磁共振景象。表1.3部分亞原子微觀粒子的性質(zhì)亞原子粒子符號(hào)電荷數(shù)相對(duì)質(zhì)量(amu)實(shí)踐質(zhì)量(g)質(zhì)子p+111.673×10-24電子e--15.45×10-49.110×10-28中子n011.675×10-24

原子非常小，單個(gè)原子的直徑在0.1到0.5nm之間，元素不同原子直徑也存在差別。例如，一個(gè)碳原子直徑大約為0.15nm，670萬(wàn)個(gè)碳原子線形陳列的長(zhǎng)度為1mm〔1×106nm〕。正如前文所提到的，電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，電子云密度在間隔原子核的一定間隔時(shí)并不會(huì)忽然降為零。那么原子的直徑終究有多大？一種觀念以為在非常緊湊的構(gòu)造中，原子的半徑相當(dāng)于相鄰原子間距的一半，但這種定義方式依然存在一些問(wèn)題。由于原子經(jīng)過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合在一同時(shí)，其原子間距小于沒(méi)有化學(xué)鍵銜接時(shí)的間隔，比如惰性氣體。然而在原子間為一樣種類(lèi)的化學(xué)鍵銜接時(shí)，元素的原子半徑是可以比較的。普通的趨勢(shì)是在元素周期表中同一主族原子半徑由上到下逐漸添加，同一周期中原子半徑由左向右逐漸減少。這將在1.7節(jié)中詳細(xì)引見(jiàn)。1.5分子與物質(zhì)的相態(tài)物質(zhì)具有三種形狀，即液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)。這些相態(tài)中存在的分子即是由原子相互結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的聚集體。氧氣是由兩個(gè)氧原子組成的分子，寫(xiě)作O2；水〔H2O〕分子是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成。原子組成分子有兩種方式：一種是共用電子，稱(chēng)為共價(jià)鍵結(jié)合；另一種經(jīng)過(guò)原子間的電子轉(zhuǎn)移組成分子，失去電子的原子帶正電，而得到電子的原子帶負(fù)電，分別用“+〞與“-〞來(lái)表示，稱(chēng)為離子鍵結(jié)合。當(dāng)電子在兩原子間轉(zhuǎn)移時(shí)，稱(chēng)作電離。如氯化鈉〔NaCl〕中鈉原子帶正電，寫(xiě)作Na+；氯原子帶負(fù)電，寫(xiě)作Cl-。帶正電的稱(chēng)為陽(yáng)離子，帶負(fù)電的稱(chēng)為陰離子。共價(jià)鍵用不斷線表示，如氯氣〔Cl2〕分子可寫(xiě)成Cl-Cl，直線表示兩原子共用電子。在共價(jià)鍵型固體中，分子是獨(dú)立的，并能相互區(qū)分開(kāi)。在氯化鈉這樣的離子鍵型固體中，如圖1.1所示，原子有規(guī)那么地陳列在點(diǎn)陣中，沒(méi)有單個(gè)獨(dú)立的分子。點(diǎn)陣有許多不同的類(lèi)型，取決于原子堆積方式，與電荷和原子的尺寸也有關(guān)。圖1.1氯化鈉晶格構(gòu)造如圖1.2所示，金屬中存在一種特殊的價(jià)鍵，金屬中一切的電子同時(shí)被一切的原子共享。這樣金屬就很容易導(dǎo)電，由于額外的電子很容易被移入與遷出，而從單個(gè)原子中遷移電子是困難的。這里不進(jìn)一步討論金屬鍵，然而了解金屬的不同的導(dǎo)電才干是很重要的。圖1.2金屬鍵在納米技術(shù)中還涉及到其它一些很重要的價(jià)鍵。分子和原子也能經(jīng)過(guò)相對(duì)弱的范德華力吸引在一同。范德華在研討氣體時(shí)提出了這種吸引力，因此將這種方式的力命名為范德華力。這些吸引力有三種方式：倫敦力〔圖1.3a〕，也叫色散力；極化力〔圖1.3b〕；以及氫鍵。我們將簡(jiǎn)要地逐一闡明這些方式的作用力。圖1.3a)分子或原子間London力；b)兩個(gè)分子間的偶極相互作用電子繞原子核運(yùn)動(dòng)形狀,有點(diǎn)類(lèi)似于海面上的波浪。在任何時(shí)候，波浪中心水的密度顯然都要比波浪頂點(diǎn)處高，而且這將隨著波浪的挪動(dòng)而變化。在原子中，電子像波浪一樣“漂浮〞在原子核周?chē)?，在一定的空間位置上，電子密度總是大一些。這就導(dǎo)致了電荷在空分布上的差別，見(jiàn)1.3a，這種電荷的分別是偶極矩作用。在一切原子和分子之間都存在色散力，而且影響其它原子和分子的帶電性。在納米技術(shù)中，可以借助于色散力獲取和挪動(dòng)原子。在化學(xué)鍵中，并不是一切的原子都能均等地共享其電子，一些原子核能夠比其它原子核“貪婪〞些。當(dāng)化學(xué)鍵中的電子被不均等地共享時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)微小的電荷差別，表現(xiàn)為化學(xué)鍵具有極性，并且這種偶極作用會(huì)長(zhǎng)期存在。當(dāng)具有偶極作用的分子彼此接近時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生相互作用。由于一個(gè)分子上的正電荷會(huì)和另外一分子的負(fù)電荷相互作用，這種相互作用稱(chēng)作極化力〔見(jiàn)圖1.3b〕。第三種類(lèi)型的范德華力稱(chēng)為氫鍵。它存在于水以及許多含氫化合物中，如H2Se、乙醇、DNA。當(dāng)氫原子處于如氧、氟和氮等兩個(gè)原子之間時(shí)，由于氧、氟和氮等原子中有多余的沒(méi)參與成鍵的電子對(duì)，這時(shí)就會(huì)構(gòu)成氫鍵。當(dāng)氫原子被這些原子中的電子所吸引時(shí)，原來(lái)的價(jià)鍵被減弱。當(dāng)一個(gè)水分子中氫原子被另一個(gè)水分子的氧原子的電子吸引時(shí)，就構(gòu)成了氫鍵，并且這第二個(gè)水分子還會(huì)和其它的水分子構(gòu)成氫鍵。如上所述，化合物中的分子和元素中的原子都會(huì)在相態(tài)中反映出來(lái)。物質(zhì)存在三種根本相態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，有時(shí)也會(huì)以混合態(tài)的方式存在。納米技術(shù)涉及到的物質(zhì)大部分是固態(tài)，由于在固態(tài)中分子和原子相對(duì)比較固定，也容易察看。在固相中，離子或原子有序陳列就構(gòu)成晶體。無(wú)序陳列時(shí)稱(chēng)作無(wú)定形，即是非晶態(tài)。前面提到的價(jià)鍵對(duì)物質(zhì)相態(tài)有很重要的影響。當(dāng)成鍵很強(qiáng)時(shí)，比如離子鍵，物質(zhì)在相對(duì)較高的溫度下仍能以固態(tài)的方式存在。當(dāng)分子之間僅存在色散力時(shí)，物質(zhì)僅能在低溫下堅(jiān)持固態(tài)。隨溫度升高，分子間引力被破壞，弱的鍵首先被翻開(kāi)。假設(shè)沒(méi)有氫鍵存在，水在室溫下也會(huì)變成氣態(tài)。在物質(zhì)的形狀中，也會(huì)存在其它的變化方式。在晶體中存在三維點(diǎn)陣，并且分子取向一致。然而，在液體中也能夠會(huì)存在一樣的分子取向，它們稱(chēng)作液晶。在液晶中，分子有序地構(gòu)成點(diǎn)陣，但仍能流動(dòng)，呈液體形狀。物質(zhì)在不同的相態(tài)下其電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有所不同。當(dāng)物質(zhì)處于氣態(tài)時(shí)，原子和分子是相對(duì)孤立的，因此每個(gè)分子或原子有相對(duì)獨(dú)立的電子特性。電子可以在不同的能級(jí)中圍繞分子或原子運(yùn)動(dòng)，但它們不能在原子間躍遷，除非它們被某種方式激發(fā)。然而，當(dāng)固體中的原子結(jié)合在一同時(shí)，這種情況能夠會(huì)發(fā)生變化。在每個(gè)能級(jí)只能有2個(gè)電子，這就需求許許多多的能級(jí)和電子對(duì)與之相對(duì)應(yīng)，這時(shí)每個(gè)能級(jí)都非常接近以致于重疊在一同，這就闡明電子分布在能帶中，而不是在非延續(xù)的原子能級(jí)上。1.6能量什么是溫度？它是熱能的一種表現(xiàn)方式。然而，除了熱能之外還存在許多其它方式的能量。物質(zhì)是宇宙的重要組成部分，它具有質(zhì)量，同時(shí)也具有能量。我們可以利用能量轉(zhuǎn)換因子，把不同種類(lèi)的能量表達(dá)為同一種方式。對(duì)于質(zhì)量為m物質(zhì)而言，能量轉(zhuǎn)換因子是光速的平方。我們可以利用愛(ài)因斯坦方程E=mc2計(jì)算物質(zhì)的能量，其中c是光速，m是物質(zhì)的質(zhì)量。分子構(gòu)成過(guò)程中會(huì)聚集一定的能量，離子鍵的鍵能大約是4.210-20J，氫鍵的鍵能大約是3.310-20J，色散力和極化力大約是氫鍵鍵能的非常之一。光也是一種能量，我們稱(chēng)之為電磁輻射能。它既可以被描畫(huà)為一種波，也可以以為是由光子組成的物質(zhì)。然而，光通常被描畫(huà)成波而非物質(zhì)。德國(guó)物理學(xué)家普朗克首先發(fā)明性地提出了“量子〞的觀念，即電磁波在同物質(zhì)相互作用時(shí)，所交換的能量不是延續(xù)的，而只能一份一份地交換。在湖面或者海面上，風(fēng)會(huì)產(chǎn)生波浪，它的波峰和波谷在水面上傳播。在垂直于風(fēng)的方向上，隨著波峰的傳播，水上下運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)波峰之間的間隔稱(chēng)為波長(zhǎng)〔λ〕，波也有振幅和頻率?？梢杂眉襾?lái)描畫(huà)駐波。經(jīng)過(guò)觸動(dòng)琴弦上的某一點(diǎn)，就會(huì)產(chǎn)生一定的聲波，即聲音，由于琴弦的振動(dòng)結(jié)果取決于被觸動(dòng)點(diǎn)的位置。在這種類(lèi)型的波中，波峰或者振幅最大點(diǎn)被稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)，它們的位置是固定的。駐波是波峰和節(jié)點(diǎn)都固定的波。當(dāng)空氣隨著吉他弦振動(dòng)時(shí)，我們就能聽(tīng)到反響振動(dòng)波長(zhǎng)的音符。將手指彈奏在不同位置，就可以演奏很多的音符。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，假設(shè)在撥弄琴弦的同時(shí)，按一定的時(shí)間間隔撥動(dòng)它的中點(diǎn)，將會(huì)構(gòu)成一系列的波長(zhǎng)和音符，我們必需在不延續(xù)的位置撥弄琴弦，才干得到悅耳的聲音。由于琴弦的兩端是固定的，因此我們不能得到一切的波長(zhǎng)，在這種情況下，波長(zhǎng)就是量子化的。量子化的概念存在于我們?nèi)粘Ｉ钪?。例如，我們?cè)诮o汽車(chē)加油時(shí)，所加油的總價(jià)是83.568美分，他能按這個(gè)數(shù)值付錢(qián)嗎？一定不能，由于我們貨幣的最小單位是1美分。錢(qián)不是量子化的，但是在貨幣制度上，錢(qián)卻是量子化的，最小的量子就是價(jià)錢(qián)最小的硬幣。電磁波在太空中的傳播速度是3×108m/s，大約6億7千萬(wàn)英里／小時(shí)。光的性質(zhì)決議于它的波長(zhǎng)λ和它在某一個(gè)方向上的頻率。光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于我們所看到的顏色，然而我們的眼睛只能檢測(cè)到某一波段的光，也就是可見(jiàn)光。除了可見(jiàn)光之外，宇宙中還有許多其它頻率的電磁波，例如無(wú)線電波具有非常寬的頻率，宇宙射線和γ射線卻只需非常窄的頻率。圖1.4給出了不同種類(lèi)電磁波的波長(zhǎng)。當(dāng)頻率非常高時(shí)，電磁波變成延續(xù)，這時(shí)它們不再波，而更應(yīng)歸人延續(xù)的物質(zhì)，能量最好用質(zhì)量來(lái)描畫(huà)。然而，一些能量同時(shí)具有波和物質(zhì)的特性，能量這一特性在納米科技中具有重要的作用。在原子尺度上，物質(zhì)之間相互作用，呈現(xiàn)出物質(zhì)和波的兩種特性。德布羅依〔DeBroglie〕方程表達(dá)了波長(zhǎng)λ和質(zhì)量m之間的關(guān)系：λ=h/mv式中h是Planck常數(shù)，v是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率。根據(jù)這個(gè)方程，可以發(fā)現(xiàn)低速運(yùn)動(dòng)的大質(zhì)量粒子和一個(gè)快速運(yùn)動(dòng)的小質(zhì)量粒子會(huì)具有一樣的波長(zhǎng)。電磁波的其它能量方式也能夠具有波粒二相性。在海中，水撞擊他時(shí)的覺(jué)得是波浪在撞擊。這里一個(gè)波浪相當(dāng)于一個(gè)能量包。對(duì)于電磁輻射能，這個(gè)能量包稱(chēng)為光子。當(dāng)黃光照射他的時(shí)侯，每秒大約有1020個(gè)光子照到他。電子是一種具有波粒二相性的特殊的能量方式。當(dāng)我們把原子中的電子激發(fā)到高能級(jí)，然后察看原子的能量損失，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)能量的損失是不延續(xù)的，在原子吸收能量時(shí)也存在同樣的景象，這種景象也稱(chēng)之為量子化。能量是量子化的，電子也是量子化的。當(dāng)電子被描畫(huà)為波時(shí)，那么有特定的波長(zhǎng)。在熱力學(xué)上，能量可以用焓和熵等自在能來(lái)描畫(huà)。在十九世紀(jì)中葉，人們發(fā)現(xiàn)化學(xué)反響會(huì)吸收或者放出熱量。一些反響能自發(fā)進(jìn)展，就像水能自發(fā)地從高處流向低處。另外一些反響那么需求能量推進(jìn)它們才干進(jìn)展，就像我們需求能量才干將水保送到山頂?；瘜W(xué)反響過(guò)程中有自在能的變化，由于反響過(guò)程有能量損失，因此自在能ΔG帶有負(fù)號(hào)。自在能ΔG的變化取決于化學(xué)反響前后物質(zhì)的焓變?chǔ)。在低溫下，分子運(yùn)動(dòng)緩慢且較為有序；在高溫下，熱能導(dǎo)致平移、旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)形狀更接近于自然的無(wú)序形狀。

ΔG＝ΔH－TΔS〔1.1〕式中，ΔS表示反響前后物質(zhì)熵〔S〕的變化，T表示溫度。澳大利亞物理學(xué)家玻爾茲曼建立了原子行為與S之間的關(guān)系。雖然他畢生研討成果可信度不高，但是他卻為我們留下了一個(gè)以他的名字命名的非常重要常數(shù)，即玻爾茲曼常數(shù)。玻爾茲曼提出了熵〔S〕的概念，熵的大小反映了某些過(guò)程自發(fā)進(jìn)展的能夠性〔用W表達(dá)〕。S和W之間存在對(duì)數(shù)關(guān)系：S=KlnW〔1.2〕式中：K是玻爾茲曼常數(shù)。從分子的角度了解熵的概念，要比實(shí)驗(yàn)室反響過(guò)程容易的多。想象我們研討某物體外表上的二十個(gè)分子，該分子有兩種不同的原子構(gòu)成，由于分子內(nèi)的二個(gè)原子不同，我們可以將其描畫(huà)為頭和尾。假設(shè)這些分子的陳列方向完全一致，即一切分子的頭指向同一個(gè)方向排成一列，這時(shí)W＝1，由〔1.2〕計(jì)算出S＝0。當(dāng)這二十個(gè)分子被加熱而獲得能量時(shí)，它們可以在一切能夠的方向上取向，這時(shí)W＝220，由于k＝1.38×10-23J.K-1，那么S=1.3810-23J.K-1×ln220＝1.9×10-22J.K-1。在受熱情況下，分子取向趨于混亂，S值從0增大到了1.9×10-22J.K-1。從20個(gè)原子來(lái)看，熵的添加很小。但是對(duì)于大量的原子來(lái)說(shuō)，熵的添加將是非常大的。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中的一小撮粉末〔大約1021個(gè)原子〕來(lái)說(shuō)，熵的添加量曾經(jīng)相當(dāng)大了。從第八章中我們可以看到，分子取向的計(jì)算對(duì)量子計(jì)算和納米計(jì)算機(jī)都是非常重要的，并且玻爾茲曼常數(shù)非常關(guān)鍵和重要。1.7分子和原子尺寸

前文我們?cè)?jīng)指出納米技術(shù)是在納米尺度上任務(wù)，而納米相當(dāng)于幾個(gè)原子陳列在一同的長(zhǎng)度。然而，單個(gè)原子的尺寸并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，由于原子內(nèi)部大部分是空的。原子核就好似是足球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中的一個(gè)足球，電子在該足球場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。原子是沒(méi)有剛性的球形界面，它可以被想象成一個(gè)帶有正電荷的實(shí)心的原子核，被一層帶有負(fù)電的電子云所包圍。而且，電子云通常會(huì)表現(xiàn)出波粒二相性，電子也不是圍繞原子核做固定的圓周運(yùn)動(dòng)，因此我們以為原子尺寸就是原子核外的電子繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)所占據(jù)的空間。當(dāng)原子失去電子變成離子后，其尺寸會(huì)有很大的變化。這不僅僅是由于原子將失去原來(lái)電子所占有的空間，而且會(huì)由于原子核對(duì)其它電子的引力增大而導(dǎo)致原子尺寸收縮。雖然原子的絕對(duì)大小難于確定，但在納米技術(shù)中我們?nèi)孕枨罅私庠拥南鄬?duì)尺寸。圖1.5列出了各種原子的相對(duì)尺寸大小。在不同的環(huán)境下和不同的化學(xué)鍵中，原子尺寸會(huì)存在很大的差別，因此我們必需針對(duì)某些情況做出一些定義。我們可以非常準(zhǔn)確地測(cè)定原子之間和離子之間的間隔，因此把該間隔作為原子或離子半徑的量度。原子半徑可以定義為相鄰兩個(gè)一樣原子核間間隔的一半，原子半徑的大小取決于原子間的化學(xué)鍵〔金屬鍵、離子鍵或共價(jià)鍵〕。當(dāng)相鄰原子的種類(lèi)不同時(shí)，例如NaCl，我們把兩原子間間隔的一部分作為一個(gè)原子半徑，而剩下的部分作為另一個(gè)原子的半徑。圖1.5不同原子的相對(duì)大小金屬鈉中鈉原子半徑大于NaCl化合物中的鈉原子半徑。在NaCl中，每個(gè)鈉原子都失去了一個(gè)電子，變成了帶正電的鈉離子；每一個(gè)氯原子都得到了一個(gè)電子，變成帶負(fù)電的氯離子，氯離子的半徑約是氯原子半徑的兩倍。氯氣分子中